Static and Dynamic Material Properties and Aging Characteristics of Dam Core Material

地 盤 工 學

第31卷 第6C 號·2011年 11月 pp. 221~229

기존댐 해체 조사를 통한 댐 코어 재료의 정적·동적 물성 및 Aging 특성 연구

Static and Dynamic Material Properties and Aging Characteristics of Dam Core Material

김신일*·김동수**·염경택***·추연욱****

Kim, Shin-Il·Kim, Dong-Soo·Yum, Kyung-Taek·Choo, Yun Wook

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Abstract

A core zone of a fill dam is an important part of a dam for cutoff of water. Therefore, the material properties and behavior characteristics of a core zone are very important factors in an analysis of dam stability. However, the investigation on material properties of actual dam core is extremely rare so far. The material properties have been acquired or estimated by indirect methods like a surface wave surveying or empirical equation. In this research, in-situ and laboratory tests were conducted dur- ing dismantling an existing dam directly to investigate characteristics of the core zone in terms of the depth and transient vari- ation of properties after construction of the dam. Dynamic material properties like shear wave velocity and shear modulus were measured and compared to other existing empirical correlations. In addition, aging characteristics of dynamic material prop- erties were investigated by a series of laboratory tests.

Keywords : fill dam, core material, static material property, dynamic material property, Aging

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요 지

필댐의 코어죤은 차수 기능을 담당하는 댐의 중요한 요소이다. 따라서 코어죤의 물성 및 거동 특성은 댐의 안정성 해석에 있어서 아주 중요한 요소이나, 지금까지 실제 댐 코어의 물성에 대한 연구는 아주 드물었다. 댐 코어의 물성은 표면파 탐사 또는 경험식과 같은 간접적인 방법에 의해 획득되거나 추정되어 왔다. 본 연구에서는 기존 댐의 해체 과정에서 수행된 현장 및 실내시험 결과의 분석을 통하여, 댐 건설 후 코어죤 물성의 시간적 변화와 깊이별 특성에 대해 직접적으로 조사를 수행 하였다. 실제 댐 코어의 전단파 속도와 전단탄성계수가 측정되었고, 기존의 경험식과 비교하였다. 아울러, 일련의 실내실험을 통하여 동적물성의 에이징 특성도 연구하였다.

핵심용어 : 필댐, 심벽재료, 정적 물성, 동적 물성, 에이징

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1. 서 론

댐은 다른 토목 구조물과는 달리 지속적인 외부 조건의 변 화에 영향을 받는 구조물이다. 저수지의 수위는 계절 및 기상 상태에 따라 지속적으로 또는 급격히 변하며 그에 따라 댐에 가해지는 수압과 제체 내부의 침투 흐름 또한 지속적으로 변 화한다. 건설 이후 20~30년간 지속적인 상황 변화에 따른 제 체의 물성 변화에 대한 확인은 간접적인 탐사기법 등을 통하 여 이루어져 왔으며, 실제 댐체 재료의 물성 변화에 대한 직 접적인 확인이나 변화 양상에 대한 연구는 거의 전무한 실정 이다. 이러한 이유로 댐 건설 후 주기적으로 시행되는 안정성 평가시, 건설당시의 설계치나 재료원 실험 자료의 물성을 그 대로 사용하거나 추정값을 적용하고 있다.

최근 국책사업으로 이상홍수에 대비한 댐 안전성 확보를 위해 댐별로 비상여수로 건설 사업이 시행되고 있으며, 대청 댐의 경우도 비상여수로 건설 사업이 진행 중에 있다. 대청 댐 비상여수로 건설 사업 시행으로 실제 운영되어온 대청 제1부댐을 해체함에 따라 댐의 가장 중요한 축조 죤인 코어 죤에 대한 직접적인 조사 및 실험이 가능하여 30년간 운영 되어온 ‘실제 살아있는 댐체’의 현재 상태를 분명하게 파악 할 수 있었다. 금회 댐 해체 조사를 통하여 댐 코어의 자세 한 동적·정적물성에 대한 정보가 획득되었고, 건설 당시의 자료 또한 비교적 풍부하기 때문에 코어 재료의 물성 변화 를 자세히 파악할 수 있는 귀중한 자료이다.

본 연구에서는 우선, 부댐의 건설과정과 건설 당시의 설계 및 시공 자료에 대해 기술함과 동시에 건설 당시의 정적 물

*정회원·한국수자원공사 대청댐관리단 공사과장 (E-mail : [email protected])

**정회원·한국과학기술원 건설및환경공학과 교수 (E-mail : [email protected])

***정회원·한국수자원공사 수자원사업본부장 (E-mail : [email protected])

****정회원·교신저자·한국과학기술원 건설및환경공학과 연구교수 (E-mail : [email protected])

성으로 볼 수 있는 자료를 확보하여, 이를 금회 댐 해체 조 사에서 획득된 결과와 비교·분석하고, 현재 코어 재료의 건 전도 평가를 실시하였다. 동적 물성의 경우, 크로스홀, 다운 홀 등 탄성파 탐사결과 및 공진주 실험결과를 활용하여 댐 코어의 심도별 전단파 속도 특성 및 동적 물성의 비선형 특 성을 확인하였으며, 본 조사에서 나타난 코어의 동적 물성을 기존 연구결과와 비교하였다. 또한, 건설 당시 다짐조건으로 재성형된 시료에 대한 시간에 따른 공진주 실험을 반복 수 행하여 동적물성치의 Aging 효과를 파악하였다. 본 연구에 서 확인된 코어 재료의 정적·동적물성 및 Aging 특성은 향 후 댐 설계 및 안정성 분석에 활용될 경우 설계 및 분석의 정확성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

2. 대청 제1부댐의 해체 조사

대청 제1부댐(No.1 Saddle Dam)은 대청댐 비상여수로 건 설공사 시행으로 비상여수로 시설부지와 중복되어 불가피하 게 철거하게 되었고, 대청 제1부댐이 해체되기 전, 제체 재 료 및 구조에 대한 물리역학적 특성을 조사하여 필댐의 거 동과 관련된 자료를 확보함으로써, 향후 신규 댐 등의 설계 시공 및 유지관리에 활용하고자 부댐의 해체 조사가 실시되 었다. 제1부댐의 위치는 대청댐 좌안 3km 지점에 위치하며 그림 1과 같이 코어죤과 랜덤죤으로 구성된 균일형 흙댐이 다. 부댐 해체 조사시 현장 및 실내실험은 댐축을 따라 심 도별로 실시하였고, 실험항목 및 조사 위치는 표 1 및 그림 2 와 같다.

그림 1. 대청 제1부댐 전경 및 단면도 표 1. 부댐 해체 조사 항목 (a) 제1차 조사 (2008년 9월 17일~2008년 12월 16일)

구 분 조 사 항 목 구 분 조 사 항 목

물리탐사 및 검층

전기비저항탐사 수리 및 밀도시험 공내전단시험

원위치 전기비저항측정

파이핑 시험

전기비저항 모니터링 시추조사(A4-1, A4-2)

시추조사(A1-1, A1-2) 주입시험

Down-hole test

수압할렬 시험 시추조사 (A3-1, A3-4, A3-5, A3-8)

Cross-hole test 수압할렬시험

밀도검층 해체 중 시험 들밀도시험

수리 및 밀도시험

균열조사, 육안조사 시추조사(A2-1, A2-2)

실내시험 토성 및 삼축시험,

투수 및 압밀시험, 공진주시험 등 현장투수시험

(b) 제2차 조사 (2009년 1월 12일~2009년 2월 14일)

구 분 조 사 항 목 구 분 조 사 항 목

물리탐사 및 검층 원위치 전기비저항탐사

해체 중 시험 들밀도시험

크레그 임팩트(Clegg Impact) 시험

실내시험 토성 및 삼축시험, 투수 및 압밀시험 공진주 시험 등

본 연구에서는 위의 조사 항목 중 정적 물성 특성과 관련 하여 현장 실험인 들밀도 시험과 실내 실험인 토성 및 삼축 시험, 투수 및 압밀시험 결과를 활용하였다. 동적 물성 분석 을 위해 현장실험인 크로스홀 및 다운홀 등의 탄성파 탐사 와 표준관입시험 결과를 활용하였고, 실내실험으로는 공진주 실험결과를 사용하였다.

3. 댐 코어 재료의 정적물성

3.1 건설 당시 코어 재료의 물성

댐 건설후 코어 재료의 물성 변화를 확인하기 위해서는 건설당시 재료의 물성과 설계값을 확보하는 것이 필요하였 다. 대청댐 건설당시의 설계 및 시공 자료 조사결과, 설계자 료로는 ‘대청댐공사 재료원 조사 보고서(산업기지개발공사 등, 1974)’와 ‘대청다목적댐 실시설계 보고서(산업기지개발공 사 등, 1974)’를 참조하였고, 시공자료로는 건설 완료시 발 간되는 공사 기록의 성격을 갖는 ‘대청다목적댐 공사지(산업 기지개발공사, 1981)’를 참조하였다.

이 중 재료원 조사 보고서에는 건설당시 축조 재료의 일 반적인 토성시험 및 다짐시료에 대한 역학실험 자료를 포함 하고 있었으며, 본 연구에서는 재료원 조사 보고서에 기술된

코어 재료의 물성을 건설 당시 재료의 물성으로 가정하였고, 조사 보고서의 시료별 물성값의 평균을 금회 조사결과와 비 교하였다.

3.2 댐 코어 재료의 입도 분포

대청댐 공사 재료원 조사 보고서에는 부댐 코어죤 축조재 료로 사용된 No.4, No.5 토취장에서 채취된 16개의 시료에 대한 입도 분포 자료가 수록되어 있으며, 코어죤 재료는 통 일분류법상 CL 또는 SC로 낮은 소성의 무기질 점토 또는 점토질 모래이다. 이 자료를 활용하여 건설 당시 재료의 입 도분포 곡선 범위를 획득하였고, 이를 금회 부댐 해체 조사 시 입도 분포 범위, USBR의 코어재료 입도분포 기준, 남강 구 댐 자료와 비교하여 그림 3에 도시하였다. USBR(United States Bureau of Reclamation, 미개척국) 입도 분포 기준 및 남강 구 댐 자료는 ‘남강 구댐의 조사 및 활용 방안 연 구(신동훈 등, 1998)’를 참조하였다.

그림 3의 입도 분포 곡선을 살펴보면 건설 당시 및 본 조사시 부댐의 입도분포 곡선은 USBR 기준의 하한치에 인 접하여, #200체 통과량이 39%~82%로 미세 입자 함유량이 다소 많다. 건설당시와 금회 조사시의 입도분포는 큰 차이가 없으나, 금회 조사시 입도분포 곡선들이 건설당시의 입도 분 그림 2. 조사 위치도

그림 3. 남강 구댐 코어 재료의 입도분포 곡선 및 USBR 기준(신동훈 등, 1998)과의 비교

포 곡선들보다 변동 폭이 작고, 시료들의 입도 분포가 더욱 균등하며 미세 입자가 더 많은 특징을 갖고 있다. 이는 건 설 당시 재료원 조사 시에는 토취장의 다양한 위치(16개 지 점)로부터 시료를 채취하였으나, 실제 시공시에는 일정한 장 소에서 미세 입자가 다소 많고 비교적 균등한 재료를 사용 하였기 때문인 것으로 판단된다.

타 댐사례의 경우 남강 구댐의 코어재료의 입도분포 곡선 ( 신동훈 등, 1998)도 USBR 하한치에 인접하여 분포하며 부 댐의 입도 분포 곡선과 비슷한 양상을 나타내었다. 더 많은 사례 조사가 필요하지만 이상의 자료로 비추어 볼 때, 우리 나라 지반의 특성상 댐 코어 재료로 선정된 재료는 대부분 화강암 풍화로 생성된 풍화 잔류토로서 코어 재료 입도 기 준상 하한치에 속하여 미세 입자가 비교적 많이 함유된 특 징을 갖고 있다.

3.3 댐 코어 재료의 심도별 공학적 특성

본 연구에서는 부댐 해체 조사시 실시된 코어죤의 심도별 조사 및 실험 자료를 건설 당시 물성와 비교하여 코어 재료 의 시간적 변화와 재료의 심도별 변화를 살펴보았다.

3.3.1 함수비 및 액소성한계

댐 코어 재료의 함수비는 댐 저수위에 의해 형성된 지하 수위에 큰 영향을 받는데 조사 당시 댐수위의 영향으로 그 림 4와 같이 지하수위가 EL.68m(GL-15m) 부근에서 형성되 어 있었다. 코어죤의 심도별 함수비 및 액소성 한계는 댐축 을 따라 심도별로 실시된 들밀도시험과 실내시험을 통하여 산정되었고, 그 평균값은 그림 4와 같다. 심도 10m 이상의 댐 하부는 지하수위의 영향으로 함수비가 소성한계(PL)보다 높은 소성상태로 존재하나, 심도 10m 이하의 댐 상부의 경 우 함수비가 소성한계(PL)보다 낮은 반고체 상태를 나타내 고 있다. 건설당시 시방 기준인 최적함수비(22.8%)와 비교시

심도 13m 이상 댐 하부의 함수비는 댐 수위의 영향으로 크 게 증가하였고, 심도 13m 이하 상부의 경우 오히려 약간 감소하였다. 표면부인 심도 4m 이하의 경우 강우 등 외부 영향으로 함수비가 오히려 높게 나타나는 것으로 판단된다.

3.3.2 밀도 및 다짐도

댐 코어죤의 다짐 상태 및 현장 함수비를 측정하기 위해 댐 해체 과정에서 댐축을 따라 10개소, 4개의 심도(2m, 7m, 11m, 15m) 에서 들밀도시험을 실시하였으며, 댐 중앙부 의 시추공에서 밀도 검층을 수행하여 제체의 밀도를 파악하 였다. 들밀도시험 결과 습윤단위중량은 1.9t/m

내외이며, 밀 도검층 결과와 들밀도시험 결과는 코어층에서 그림 5에서와 같이 1.9t/m

으로 거의 일정한 값으로 일치하였다. 또한, 심 도 21m 이상에서 풍화암층으로 인해 밀도가 급격히 상승하 는 것을 확인할 수 있다. 심도별 다짐도의 경우 표 2와 같 이 표층을 제외하면 98% 내외로 양호한 상태를 나타내어 OMC 에서 OMC+1%일 경우 97%, OMC+1%에서 OMC+

2% 일 경우 95%로 규정된 건설당시 시방규정을 만족하고 있 는 것으로 판단된다. 따라서 건설 당시 시방규정에 의거 충 실히 축조 작업이 시행되었으며, 시간 경과에 따라 제체의 건전도가 유지되고 있다고 볼 수 있다.

3.4 투수 계수 변화

건설당시와 금회 조사시의 투수 시험결과는 표 3과 같으 며, 시험방법은 두 경우 모두 투수성이 적은 흙에 적용되는 변수위 투수시험법을 사용하였다. 건설당시는 토취장 재료를 최적함수비로 다진 시료를 사용하였고, 금회 조사시에는 심 도별로 채취한 불교란 시료를 사용하였다. 건설당시에 비해

그림 4. 코어 재료의 심도별 함수비 및 Atterberg Limit

표 2. 들밀도시험 결과

시험 심도 들밀도 함수비(%) 습윤단위중량

(t/m

) 건조단위중량

(t/m

) 다짐시험시

최대건조밀도 다짐도(%)

2m 26.1 1.863 1.477 1.591 92.8%

7m 21.3 1.892 1.559 1.591 98.0%

11m 21.8 1.904 1.564 1.591 98.3%

15m 24.4 1.939 1.559 1.591 98.0%

평균 23.4 1.900 1.540 1.591 96.8%

그림 5. 심도별 밀도 검층 및 들밀도시험 결과

투수계수가 평균적으로 19배 증가하였으며, 깊이에 따른 투 수계수 변화는 깊이에 따라 구속압이 증가하여 감소하는 경 향을 보인다.

남강 구댐 및 A댐 조사사례에서도 건설당시 최적함수비로 다진 시료와 조사 시 불교란 시료에 대한 투수계수값을 비 교할 때 표 4과 같이 각각 1.2배, 3.7배의 증가를 나타내었 다. 이는 건설당시 투수시험의 투수계수는 실내에서 최적함 수비로 거의 100%의 다짐도로 다져진 시료로부터 얻은 값 인 반면, 금회 조사 시 투수계수는 현장의 불교란 시료에 의한 값으로 실내의 최적의 다짐상태와 현장에서의 실제 시 공시의 다짐상태 간의 차이로 판단된다. 실제로 앞의 밀도 및 다짐 상태 분석에서 살펴본 바와 같이, 현장 다짐 상태 는 96%로 건설당시의 시방기준(95% 이상)을 만족하지만 실 내의 이상적인 다짐 상태를 나타내지 못하여 투수계수가 증 가하였다고 판단되며, 이는 설계과정에서 투수계수 선정시 안전율 측면에서 고려가 되어야 할 사항이다.

3.5 강도 정수(c, φ) 변화

그림 6은 강도 정수(c, φ )의 변화를 나타내며, 금회 조사

시 실시된 불교란 시료에 대한 압밀비배수(CU) 삼축압축 실 험을 실시한 결과, 건설 당시의 삼축압축 실험 결과보다 내 부마찰각은 증가하였으나, 점착력은 감소하였다. 금회 실험 결과를 깊이에 따라 나타내어 보면 그림 6과 같으며, 깊이 에 따라 내부마찰각은 증가하는 패턴이나 점착력의 경우 뚜 렷한 경향은 없다. 여기서, 비배수 강도 φ 와 배수 강도 φ ' 는 모두 깊이에 따라 증가하며, φ '의 값이 더 크고, 깊이에 대한 증가 패턴도 뚜렷하다.

시간에 따른 내부마찰각의 증가는 Bea(1960)와 Schmert- mann 등(1961)의 Clay에 대한 Aging 실험결과와 일치하는 데, 이는 본 코아죤의 재료가 CL 또는 SC로 분류되며 세 립분(#200체 통과량)이 39%~82%로 많기 때문이며, 흙입자 의 Micro-shifting에 따른 Micro-interlocking의 증가로 의한 Aging 효과를 의미한다. 시간에 따른 Dilatancy를 측정한 Daramola(1980) 의 Aging 실험 결과에서 나타난 바와 같이 시간에 따라 압축성(Negative Dilatancy)은 감소하고, 팽창성 (positive Dilatancy) 은 증가한다는 것을 뜻한다. 댐 코어 재 료의 경우, 세립분이 많은 점토질로 이상의 연구사례에서 제 시된 점토의 Aging 특성과 비슷한 경향을 보인다.

표 3. 깊이에 따른 투수계수 변화 댐정상으로부터의

깊이(m)

투수계수(cm/sec) 건설 당시

( 다짐 시료) 금회 조사 ( 현장 불교란 시료) 4m

3.90E-08

8.41E-07

7m 7.65E-07

11m 6.93E-07

15m 6.12E-07

20m 6.22E-07

표 4. 댐 코어의 투수계수 변화

구 분 투수계수

(cm/sec) 증 감 남강 구댐 조사

(1998)

건설당시 9.54.E-08

1.2 배 증가 조사시 1.12.E-07

A 댐 조사 (2001)

건설당시 9.71.E-07

3.7 배 증가 조사시 3.57.E-06

금회 부댐 조사 (2009)

건설당시 3.90.E-08

19.2 배 증가 조사시 7.49.E-07

그림 6. 부댐 Core Zone의 심도별 내부마찰각 및 점착력

표 5. 제1부댐 해체 조사결과와 건설당시 설계값의 비교

구분 설계값 부댐 조사결과

평균 범위 증감 토질 분류 CL, SC, ML CL, SC

비중 Gs 2.70 2.71 2.69~2.72 0%

함수비(%) 25.0 23.7 20.2~27.8 -5%

단위중량 γ (t/m

)

건조 1.65 1.54 1.44~1.62 -7%

습윤 2.06 1.90 1.83~1.97 -8%

포화 2.06 1.90 　 -8%

수중 1.06 0.90 　 -15%

CU c(kPa) 39.2 21.4 16.2~34.6 -45%

φ(

) 20 23.5 16.9~26.4 17%

CU-bar c'(kPa) - 4.9 1.1~11 φ'(

) - 30.2 26.3~34.4 UU c(kPa) - 32.2 13.6~47.6

φ(

) - - -

k(cm/sec) 5.00.E-06 7.49E-07 1.24E-06~

5.45E-07 -85%

3.6 댐 코어 재료의 건전도 평가

재료의 건전도 평가를 위하여 현재 재료의 상태인 본 조 사결과를 건설당시의 설계값 및 현행 설계기준과 비교하여 표 5와 표 6에 나타내었다. 설계값과 비교 시 비중과 단위 중량 등은 7% 내외로 큰 차이가 없으나, 강도 정수 중 c값 은 감소하였으나, φ값은 증가하였다. 투수계수는 설계값보다 작아 차수성에는 문제가 없을 것으로 판단된다.

댐설계기준(2005)과 비교하면 표 6과 같고, 금회 조사 시 코어 재료의 토질분류는 CL, SC로 코어 재료로 적당하며, 세립분 함유량은 기준에 비해 많고, 입도분포는 기준을 다소 벗어나나 상당히 근접하고, PI값도 착암부 재료 기준에 근접 하는 수치를 보인다. 댐 코어 재료에 대한 USBR의 기준은 표 7과 같으며, 본 연구의 부댐 코어는 기준보다 점토분이 많은 편이며, 투수계수는 기준 대비 적합하였다.

4. 댐 코어 재료의 동적물성

4.1 현장 탄성파 실험 결과 4.1.1 전단파 속도 주상도

부댐 해체 전 현장 상태의 코어죤의 동적물성 파악을 위 해 탄성파 탐사를 실시하였다. 탐사 방법으로 시추공을 통한 직접적인 방법인 다운홀 및 크로스홀 기법을 사용하였으며, 댐 정상 중앙부의 동일 위치에서 실시하였다. 기법별 전단파 속도 측정 결과는 그림 7과 같고, 크로스홀과 다운홀은 거 의 일치하는 경향을 보였으며, 지층의 변화 경향을 비교적 정확히 나타내고 있다. 본 연구에서는 크로스홀과 다운홀 실 험 결과의 평균값을 코어죤의 대표 전단파 속도 주상도로 판단하여 이를 기존 연구결과와 비교하였다.

또한, 크로스홀과 다운홀 실험을 실시한 댐 중앙부의 SPT- N 치 평균값을 사용하여 전단파 속도를 추정하였으며, 여러 가지 추정방법 중, 그림 7에 나타낸 3가지 추정식에 의한 전단파 속도 주상도를 위의 탐사 기법별 주상도와 함께 나 타내었다. 추정식에 의한 전단파 속도는 어느 정도 지층의

상태를 적절히 나타내고 있으나, 현장 실험결과에 비해 낮은 심도에서는 높은 값을 나타내고 깊은 심도에서는 낮은 값을 나타내는 경향이 있다.

4.1.2 전단파 속도 추정식 및 타 사례와의 비교

본 연구에서는 금회 조사시 주상도를 김종태 등(2009)의 필댐 제체 재료의 현장 전단파 속도 주상도 D/B 및 하익수 등(2008)의 타댐 사례와 비교하여, 현장 상태의 실제 코어죤 의 전단파 속도 주상도 특성을 파악하고자 하였다. 그림 8 과 같이 금회 조사결과는 D/B의 하한값에서 시작하여 심도 가 깊어짐에 따라 D/B의 평균값에 접근하는 경향을 보인다.

또한 그림 9는 Sawada 추정식(1975), 하익수 등(2008)의 타 댐 자료와 비교한 그래프이며, 금회 조사 결과는 Sawada의 하한선 부근에 분포하고 D/B 및 기타 댐 자료도 이와 유사 한 경향을 나타낸다.

4.2 공진주 실험 결과

4.2.1 깊이별 전단파 속도 비교

코어 재료의 비선형 동적변형특성은 변형률 크기에 따른 전단탄성계수(G), 정규화전단탄성계수(G/G

) 및 감쇠비(D) 로 나타낼 수 있다. 이러한 인자들은 동적해석에 있어서 중 요한 요소이며 공진주 실험(Resonant Column Test)을 통해 서 파악할 수 있다. 댐축 좌안, 중앙, 우안부에서 심도별로 불교란 시료를 채취하여 공진주 실험을 수행하였으며, 전단 표 6. 제1부댐 해체 조사결과와 댐 설계기준의 비교

항 목 댐 설계기준(2005) 부댐 코어재료

토질분류 GC, SC, CL, SM, CH 적당,

ML 보통, OL,MH,OH 부적당 CL, SC 세립분(%) 0.05mm 이하 15~20% 함유 51

입도분포 양호(C

>4,6, C

= 1~3) C

= 51.4 C

= 3.6 PI(%) 착암부 재료의 경우 15이상 13.8 k(cm/sec) 10 이하 (하천설계 기준(2009)의

제방의 재료) 10 이하

표 7. 제1부댐 해체 조사결과와 USBR 기준의 비교

항 목 기 준 부댐 코어재료

74 µm 통과량 10~15% 이상 64.4

점토분(5µm 이하) 5% 정도 32

투수계수(cm/sec) 1.E-05 7.49E-07

유기물 함량 2~4% 이하 -

입도분포 그림3 기준내 분포

그림 8. D/B와 금회 조사의 전단파 속도 주상도 비교 그림 7. 탄성파 탐사 결과와 SPT 추정식에 의한 전단파 속도 주

상도 비교

탄성계수감소 곡선과 감쇠비 곡선 등을 획득하였다.

앞 절에서 기술한 현장 탄성파 탐사로부터 획득한 코어죤 의 전단파속도 주상도를 공진주 실험 결과와 비교하여 그림 10 에 나타내었다. 공진주 실험이 수행된 구속응력에 대응하 는 현장 깊이는 다음 식을 이용하여 획득하였다.

(1) 여기서, σ '

= 유효평균주응력(kPa), σ '

= 유효수직응력(kPa), K

= 정지토압계수(=0.5로 가정), γ

= 단위중량(t/m), h=깊이(m) 이다.

공진주 실험결과는 현장 탄성파 탐사 결과와 비교할 때 상부에서는 현장값과 가까우나 깊을수록 차이가 커진다는 것 을 알 수 있다. 이는 본 실험에서 사용된 부댐 시료의 구속 압 영향계수가 낮고, 시료 채취과정의 교란 때문인 것으로 판단된다.

4.2.2 비선형 동적물성과 D/B의 비교

본 절에서는 이세현 등(2009)에 의한 필댐 제체의 비선형 동적변형 특성에 대한 D/B와 본 연구의 공진주 실험결과(정 규화 전단탄성계수 감소 곡선)를 그림 11에 비교하였다. 본 연구 결과는 D/B의 구속압별 대표 곡선을 상회하는 경향을 보이는데, NP(Non-Plastic) 시료가 많은 D/B보다 금회 부댐 시료의 PI(10.5%~22.1%)가 크기 때문인 것으로 판단되며 PI 가 큰 시료일수록 높은 값을 나타낸다. 감쇠비 곡선의 경

우, 그림 12과 같고 D/B의 구속압별 대표곡선의 아래쪽에 분포하고, 이는 PI의 영향이 나타난 것으로 판단된다.

4.3 댐 코어 재료의 동적물성 Aging 특성 4.3.1 공진주 Aging 실험

건설 당시 동적물성에 관한 실험을 수행하지 않았기 때문 에 동적물성의 시간변화를 파악할 수는 없었으나, 동일한 시 료에 대하여 장기간 구속압을 재하한 상태에서 시간에 따라 공진주실험을 수행하여 시간에 따른 코어 재료의 전단탄성 계수 변화를 살펴보았다. 공진주 실험시 구속압을 계속 가 하면서 시간에 따른 동적물성(전단파속도, 최대전단탄성계수 ) 을 측정하였으며, 구속압(50kPa, 100kPa, 200kPa)별로 별 도의 실험을 실시하였다. 시료는 부댐 조사시 불교란 시료 가 채취된 동일한 위치에서 채취하여 표 8와 같이 건설 당 시 시방조건과 같은 건조단위 중량과 함수비로 성형하였다.

본 Aging 실험의 시료는 건설당시 조건으로 재성형되었기 때문에 실험초기에는 30년전 건설당시의 재료 상태를 나타 낼 것이며, 시간에 따라 점차 증가하여 현재의 재료 상태인 불교란 시료에 대한 공진주 실험결과 및 현장 탄성파 탐사 결과에 근접할 것으로 예상하였다. 본 절에서는 Aging 실험 에서 나타난 시간에 따른 동적물성의 변화 특성을 분석하고, σ '

1

3 --- σ '

( 1 2K +

) 1

3 --- γ

h 1 2K ( +

)

= =

그림 9. Sawada 추정식 및 타댐 사례와의 비교

그림 10. 공진주 실험결과와 현장 탄성파 탐사결과의 비교

그림 11. 부댐 공진주 실험결과와 D/B의 비교(정규화 전단탄성계 수감소곡선)

그림 12. 부댐 공진주 실험결과와 D/B의 비교(감쇠비 곡선)

현장 탄성파 탐사 및 불교란 시료에 대한 공진주 실험결과 와 비교하여 댐 코어 재료의 동적물성 Aging 특성을 파악 하였다.

4.3.2 실험방법

공진주 실험시 구속압을 계속 가하면서 시간에 따른 동적 물성(전단파속도, 최대전단탄성계수)을 측정하였으며, 구속압 (50kPa, 100kPa, 200kPa) 별로 각각 3개의 시편를 성형하여, 각 구속압 단계에 대하여 각 시료를 사용하여 실험을 실시 하였다. 한 구속압을 적용시킨 상태에서 초기 2일 이내에서 는 1~4시간 간격으로 공진주 시험을 수행하여 동적물성을 측정하였고, 변화율이 감소할 경우 측정 빈도를 줄였으며, 증 가율이 수렴할 때 실험을 완료하였다. 다음 구속압을 위한 시험은 시료교체 후 동일하게 진행하였다. 시료는 부댐 조사 시 불교란 시료가 채취된 동일한 위치에서 채취하여, 표8의 조건으로 건설당시 시방조건과 같은 건조단위 중량과 함수 비로 성형하였다.

Aging 실험시 동일 구속압에서 장기간 진행되므로 시료가 건조될 우려가 있기 때문에 시험 시편이 수조(Fluid bath)에 담겨져, 물을 통하여 구속압이 전달되는 구조로 시험이 수행 되었다. 실험 전후의 함수비를 측정한 결과 평균적으로 최초 22.6%~22.9% 에서 종료시 21.1%~22.3%로 총 실험시간이 340 시간임에도 함수비의 변화는 미미하였다.

4.3.3 전단탄성계수의 Aging 특성

실험결과를 통하여 전단탄성계수의 Aging 특성을 살펴보

면 그림 13과 같이 실험 초기(52~146시간)에 15%~25%의 Aging 효과가 나타나며, 이러한 초기 Aging은 구속압이 클 수록 짧은 시간 내에 발생하였다. 초기 Aging 발생 후에는 증가율이 0.001%~0.002% 정도로 수렴하였다. 또한, 추세분 석에 의해 30년 후의 예측값을 산정하였으며, 실험 초기값은 건설당시 시방기준에 의해 성형된 시료의 실험값으로 건설 당시의 값을 의미하고, 30년 후의 예측값은 부댐 건설후 30 년이 경과된 현재 상태의 값이라고 볼 수 있다. 예측값과 금회 부댐 해체 조사 시의 현장 탄성파 탐사 결과 및 비교 란 시료의 공진주 실험값을 비교하였고, 예측값은 현장 실험 값과 비교시 4%~15% 정도의 오차를 나타내었다. 증가 기 울기와 구속압과의 관계는 뚜렷하게 나타나지 않았다.

Mesri(1990) 의 시간경과에 따른 전단탄성계수 추정식은 식 (2) 와 같고, 토질별 Aging 계수인 N

값이 Sand는 1%~3%, Silt 는 3%~6%, Clay는 6%~19%로 미세입자가 많을수록 시 간에 따른 증가율이 커지나 구속압에 대한 영향은 고려하지 않고 있다.

G

= [1+{N

×log(∆t)}]×G

(2) 여기서, G

는 시간이 경과된 후의 시료의 전단탄성계수, G

는 최초의 전단탄성계수, N

는 aging 효과를 나타내 는 aging factor, ∆t는 경과 시간

본 실험결과 N

값은 6.5%~13.3%이며, 200kPa, 50kPa 에서는 6%정도의 비슷한 양상을 나타내며, 100kPa의 경우 13% 로 다소 차이를 보인다. 따라서 Mesri(1990)의 연구와 같이 Aging 진행시, 구속압과 증가율은 특별한 관계가 없는 것으로 보이며, 대체로 Clay 범위(6%~19%)안에 속하고 토 질 분류상 CL로 Clay 중 낮은 범주에 속한다. 동적물성의 Aging 에 의한 증가 양상은 구속압에 의한 영향보다는 재료 자체의 특성에 의한 영향으로 볼 수 있다. 이와 같은 동적 탄성계수의 시간에 따른 증가는 Hardin와 Richart(1963), Stokoe 와 Richart(1973), Anderson와 Woods(1976) 등에 의 한 실내 실험 및 Long(1980)에 의한 현장 실험에서도 확인 표 8. Aging 실험시 재성형 시료 조건

구 분 재성형시료

위 치댐중앙 A1-1, 깊이 20m

구속압 200kpa 100kpa 50kpa

건조단위 중량(t/m

) 1.586 1.587 1.584

함수비(%) 실험전 22.8 22.6 22.9

실험후 22.1 21.8 22.3

그림 13. 시간에 따른 전단탄성계수 변화와 현장 시험결과의 비교

되었으며, 증가하는 이유는 2차 압밀에 의한 Aging 효과로 알려져 있다.

5. 결 론

본 연구는 필댐의 차수 기능을 담당하는 댐의 가장 중요 한 부위인 코어죤의 물성과 거동에 대해 다음과 같은 관점 에서 고찰하였다. 실제 필댐 코어죤의 해체 조사를 통하여 그간 불가능했던 시추 및 시료채취 등의 직접적인 방법으로 댐 건설 후 코어죤이 어떠한 상태로 존재하는지와 Aging에 의한 시간적 변화를 규명하고자 하였고, 그 결과는 다음과 같다.

1. 코어 재료의 입도분포, 액소성 한계 등의 토성은 건설당시 재료원 조사 결과에 비해 큰 변화가 없으며, 설계 기준 및 타댐 사례와도 비교적 일치하였다. 이는 본 댐 코어 재료의 물성이 실제 운영 중인 타 댐의 물성과 유사하다 는 것을 의미하며 국내 댐 코어 재료의 특성을 대표한다 고 볼 수 있다. 물성 변화의 경우, 강도 정수 중 내부마 찰각은 기존 연구 사례와 같이 건설당시에 비해 증가하였 으며, 투수계수의 경우 상당히 차이를 보이는데 이는 건설 당시의 이상적인 다짐시료에 대한 실내실험과 본 조사시 의 현장 재료에 대한 실험조건의 차이로 판단된다. 따라서 건설당시 투수계수의 설계값을 설정할 경우 현장조건을 고 려하여 안전측으로 설정할 필요가 있다.

2. 본 연구의 댐 코어 재료의 전단파 속도는 일반적으로 많 이 사용되는 Sawada 추정식의 하한치 부근에 분포하며, 타 댐의 코어죤 조사에 의한 D/B도 이와 유사한 경향을 나타낸다. 따라서 Sawada 추정식을 국내 댐에 적용할 경 우 이러한 경향을 고려할 필요가 있다.

3. 비선형 동적 변형특성의 경우 D/B와 비교시 평균값을 상 회하는 경향을 보였으며, 이는NP(non-plastic) 시료가 많 은 D/B에 비해 부댐 코어의 소성지수가 크기 때문인 것 으로 판단된다.

4. 실내실험을 통하여 동적물성(전단파 속도, 최대전단탄성계 수)의 Aging 특성을 확인해 본 결과, Aging 초기(52시간

~146 시간)에 대부분의 Aging이 발생하였고, 이후 증가율 이 수렴하였다. 로그스케일에서 선형적 증가패턴을 보이며 물성의 최종 수렴값은 현장실험값에 점차 접근하였으며, 추세분석에 의한 예측값의 경우 현장실험값과 4%~15%의 오차를 보였다.

감사의 글

우선, 본 연구의 기초가 된 ‘대청 제1부댐 해체조사’ 결과 자료를 제공하신 K-water연구원의 오병현 박사님과 김재홍 박사님께 감사의 인사를 드립니다. 공진주 실험에 도움을 주 신 동 연구실의 이세현 박사 및 김재현 석사께도 감사의 마 음을 전합니다. 본 논문은 부분적으로 2011년도 정부(교육과 학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2011-0000314).

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( 접수일: 2011.8.23/심사일: 2011.9.29/심사완료일: 2011.10.18)